Рост электрических нагрузок в системе тягового электроснабжения, вызванный увеличением объемов выполняемой работы, вывел системы тягового электроснабжения постоянного тока на предельные режимы работы, не удовлетворив при этом необходимых размеров движения. В связи с этим стали интенсивно исследоваться альтернативные системы тяги, помимо систем с уровнем напряжения в контактной сети от 6 до 24 кВ. Эти системы требуют применения принципиально нового электроподвижного состава, имеющего на борту управляемый преобразователь, осуществляющего понижение напряжения контактной сети до уровня 1500 В.
Другим решением является трехпроводная система Т.П. Третьяка. Сущность ее заключается в том, что уровень напряжения в контактной сети постоянного тока сохраняется прежним, что позволяет эксплуатировать прежний электроподвижной состав, но значительная часть электроэнергии подается к нему повышенным напряжением постоянного тока 6 кВ при помощи дополнительного провода, подвешенного с полевой стороны. Преобразование энергии постоянного тока повышенного напряжения в энергию постоянного тока 3 кВ осуществляется преобразователями, размещенными вдоль электрической железнодорожного полотна. Схема такой системы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Система тягового электроснабжения Т.П. Третьяка. ТТ-тяговые трансформаторы;. И-инвертор; ЭПС- электроподвижной состав; НВ- нейтральная вставка, разграничивающая контактную сеть на отдельные секции
В настоящее время перспективным считается тяговый привод на асинхронных электродвигателях, преимущества которых подтверждены опытом эксплуатации на железных дорогах Европы. Этому способствуют успехи в создании запираемых тиристоров (GTO и IGCT) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) на рабочее напряжение 6 кВ, используемых компаниями Siemens, Adtranz и другими.
Система электрической тяги постоянного тока 15 кВ была предложена в США порядка четыре десятков лет назад. В Италии разработаны системы тяги постоянного тока 12 кВ, выполнено сравнение систем тяги постоянного тока 12 кВ и переменного 25 кВ, 50 Гц в целом по капитальным затратам и доказано, что для системы постоянного тока они меньше.
Рис. 2. Возможная принципиальная схема электроподвижного состава постоянного тока повышенного напряжения (электровоз с импульсным управлением тягового двигателя)
Сущность системы заключается в том, что к двигателю энергия при помощи тиристоров подается не непрерывно, а порциями (импульсами). В зависимости от продолжительности импульса и их частоты среднее напряжение на двигателе будет изменяться. Такое регулирование осуществляется при помощи тиристора, управляемого специальной схемой (рис. 2).
На основе импульсных преобразователей может быть построено устройство, называемое инвертором, которое на выходе может выдавать как постоянный (выпрямленный) ток, так и переменный с регулируемой частотой. Последнее обстоятельство позволяет применить в качестве тяговых очень надежные и простые в эксплуатации асинхронные двигатели.
Схема, приведенная на рис. 29 работает следующим образом. В открытом состоянии тиристора Т сетевой ток замыкается через дроссель Lg; в закрытом состоянии тиристора ток замыкается через диод D и элементы инвертора. На конденсаторе Св поддерживается постоянное напряжение с переменной составляющей, зависящей от емкости конденсатора. В случае пробоя тиристора аварийный ток замыкается через дроссель Lg. Скорость нарастания тока ограничена индуктивностью дросселя, что создает благоприятные условия для отключения цепи защитным аппаратом (выключателем). Диод D при достаточном запасе по напряжению предохраняет инвертор от попадания на него высокого потенциала. Приведенная схема обеспечивает эффект гальванической развязки звеньев высокого и пониженного напряжения.
Система электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения снимает традиционные для системы переменного тока проблемы: пониженный коэффициент мощности, асимметрию первичного сетевого напряжения и присутствие высших гармоник.